Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана - Джеймс Глик

Все тела состоят из атомов. Непросто соотнести этот факт с нашим повседневным опытом. Глядя на небольшие углубления, образовавшиеся на каменных ступеньках офисного здания, мы редко осознаём, сколько невидимых мельчайших частиц были стерты под воздействием десятков миллионов шагов. Мы не можем воспринять геометрически выверенную огранку драгоценного камня как нагромождение атомов друг на друга, словно пушечные ядра. Мы скорее предпочтем вообразить, что они образуют определенную кристаллическую структуру. Но даже если мы считаем, что и мы сами, и все, что нас окружает, состоит из атомов, «живучесть» камня остается для нас загадкой. Ричард Фейнман как-то спросил учителя, как предметам удается сохранять четкие формы, если атомы постоянно беспорядочно движутся. Он так и не получил удовлетворившего его ответа.

Когда Фейнман повзрослел, его заинтересовали другие вопросы. Если бы все научные данные были утеряны во время мирового катаклизма, то в каком одном утверждении можно было бы наиболее полно передать наше представление о мире? Ричард предложил следующее: «Все тела состоят из атомов – крошечных частиц, пребывающих в постоянном движении; эти частицы притягиваются друг к другу, когда они находятся на небольшом расстоянии, и отталкиваются друг от друга при сжатии тела». И затем он добавил: «Из одного этого предложения можно бесконечно много узнать о мире, если поразмыслить и включить воображение». И хотя со времен первых философов, предложивших атомную модель строения вещества, прошли тысячелетия, Фейнман принадлежал к первому поколению ученых, по-настоящему и всецело верящих в эту теорию не как в некое убеждение, а как в неоспоримый факт. В 1922 году, произнося речь после получения Нобелевской премии, Нильс Бор посчитал своим долгом напомнить присутствующим, что ученые «рассматривают существование атомов как истину, не подвергающуюся сомнениям». Ричард же, тем не менее, вновь и вновь читал в «Британской энциклопедии», что «даже сегодня теоретическая химия не располагает достаточными доказательствами, подтверждающими эту теорию». Более убедительные доказательства предоставляла новая наука, физика. Явление, называемое радиоактивностью, казалось непосредственно связанным с реальным распадом вещества, поскольку можно было регистрировать звуковые сигналы или видимые вспышки. Однако вплоть до восьмидесятых никто не мог сказать, что видел атомы. Даже тогда это было всего лишь косвенное изображение, но, по крайней мере, оно позволило увидеть теневые пятна на фотографиях, полученных при помощи электронного микроскопа, или мерцающие точки оранжевого света в пересечении лазерных лучей «атомных ловушек».

В фундаментальности представления о том, что вещество имеет зернистую структуру, ученых XVII–XVIII веков убеждало изучение газов, а не твердых тел. После совершенной Ньютоном научной революции они активно начали производить измерения, искать значения постоянных величин и выводить математические формулы, полагая, что только философский подход к изучению природы без конкретных цифровых данных мало что даст. Исследователи получали и разлагали воду, аммиак, углекислый газ, карбонат калия и десятки других веществ. Когда они научились точно определять вес исходных составляющих и конечных продуктов, то обнаружили закономерности. Например, соотношение содержания водорода и кислорода, необходимого для получения воды, всегда поддерживалось на уровне два к одному. Англичанин Роберт Бойль обнаружил, что, хотя при определенной температуре в клапане можно менять давление и объем воздуха, масса его остается неизменной. И при постоянной температуре и массе газа произведение давления газа на его объем – величина постоянная. Результаты этих измерений вызывали множество «почему». При нагревании газа увеличивается или его объем, или давление. Почему?

Тепло, казалось, способно перетекать, как жидкость – «флогистон»[33] или теплород[34]. Но последователям-натурфилософам пришла в голову куда менее интуитивно понятная идея о том, что тепло – это движение. Это было смелое заявление, так как никто не видел, чтобы предметы двигались. Ученым пришлось вообразить бесчисленное множество мельчайших невидимых частиц-корпускул, сталкивающихся друг с другом и оказывающих давление на лицо при малейшем дуновении ветра. Расчеты подтвердили эту догадку. Швейцарец Даниил Бернулли[35] развил закон Бойля, предположив, что давление газов возникает в результате столкновения с поверхностью именно таких шарообразных корпускул. А его заключение о том, что при нагревании происходит увеличение скорости беспорядочно движущихся частиц, связало понятия температуры и плотности. Корпускулярная теория получила новый виток развития, когда Антуан Лоран Лавуазье[36], очень тщательно и осторожно проводя опыты, продемонстрировал, что молекулы могут вступать в реакции, а могут образовываться в результате химических реакций, даже в тех случаях, когда газы взаимодействуют с твердыми телами, что и происходит, когда на поверхности железа образуется ржавчина.

«Материя неизменна и состоит из простейших частиц, неделимых при любых условиях, но соединенных между собой». Это значило, что атом сам по себе содержал целую вселенную, которая оставалась загадкой для будущих поколений. Математик XVIII века Руджер Бошкович, директор по оптике военно-морского министерства Франции, был своего рода провидцем в теории атома, и его взгляды эхом отразились в одном-единственном предложении Фейнмана. Представление Бошковича об атоме строилось не столько на том, из чего состоит вещество, сколько на том, что происходит с веществом при воздействии на него, и вызывало множество вопросов. Почему одни вещества способны упруго сжиматься, как каучук, а другие, как, например, воск, – нет. Почему твердые тела так и остаются твердыми, в то время как жидкости могут замерзать или испаряться? За счет чего происходят процессы кипения и брожения, когда частицы хаотично движутся с разной скоростью, сближаясь и сталкиваясь?

Стремление разобраться в природе частиц привело к необходимости изучить, какие невидимые силы притягивают и отталкивают их друг от друга, что определяет внешние свойства материи. Притягиваются друг к другу, когда они находятся на небольшом расстоянии, и отталкиваются друг от друга при сжатии – так описал это Фейнман. Такую картину уже вполне мог мысленно представить сообразительный старшеклассник в 1933 году. За два века представление о химических свойствах веществ значительно расширилось. Количество открытых элементов заметно увеличилось. Даже в школьной лаборатории можно было пропускать ток через колбу с водой, чтобы выделить легковоспламеняющийся водород и кислород. Химия, упакованная в образовательные наборы для опытов, казалось, ограничивала себя до собрания строгих правил и рецептов. Но основные вопросы все так же волновали пытливые умы. Почему целое остается целым, если атомы постоянно двигаются? Какие силы отвечают за плавное движение воздуха и воды и какие взаимодействия атомов провоцируют возгорание?

Век прогресса

Попытки определить, какие силы действуют на атомы, вылились в десятилетие споров. Наука, называемая химической физикой, стремительно уступала место другим наукам, которые вскоре станут известны как ядерная физика и физика высоких энергий. Те, кто изучал химические свойства различных веществ, теперь пытались осознать первые поразительные результаты квантовой механики. Тем летом в Чикаго собралось на очередную встречу Американское физическое общество. Химик Лайнус Полинг говорил о роли квантовой механики в понимании природы сложных органических молекул, элементарных составляющих всего живого. Джон Слейтер, физик из Массачусетского технологического института, отчаянно пытался установить взаимосвязь квантово-механического представления об электроне с теми энергиями, которые могли бы оценить химики. Эта встреча плавно перетекла в выставочный комплекс Всемирной выставки 1933 года «Век прогресса», которая проходила в Чикаго. Сам Нильс Бор говорил на ней о том, какое беспокойство вызывает проблема измерения чего-либо в новой физике. В толпе посетителей, стоявших и сидевших вокруг него, утонченный датский акцент Бора часто заглушался детским плачем или шипением микрофонов. Он предложил вниманию собравшихся принцип, который назвал «комплементарностью», в котором ввел понятие о неизбежной двойственности, свойственной природе всех вещей. Бор заявил о революционном значении этой идеи, потому что она касалась не только атомов, но и всего на свете. «Мы были вынуждены признать, что должны пересмотреть не только наше понимание классической физики, – говорил он, – но и те понятия, что мы используем в повседневной жизни». Позднее он встретится с профессором Эйнштейном (разногласия между ними были куда более значительными, чем Бор потом рассказывал)[37], однако они так и не пришли к единому мнению. «Нам нужно пересмотреть представление, основанное на концепции причин и следствий», – говорил он.